Evaluation of the melting ability of oxide fluxes in A-TIG welding of carbon and low-alloy steels

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Tungsten inert gas (TIG) welding has gained widespread popularity due to its advantages, including effective shielding, a stable arc, easy heat input adjustment, reduced metal spatter, and an attractive weld appearance. However, relatively shallow penetration and low efficiency limit its application. To improve welding efficiency and expand its scope of application, researchers both domestically and internationally have conducted significant studies aimed at increasing the energy density of the traditional TIG arc. This includes activating TIG (A-TIG) arc welding, which utilizes a flux applied to the weld surface. Further investigation of the mechanism for increasing arc energy density in A-TIG welding will allow us to propose new ideas and methods for highly efficient TIG welding technology. The purpose of this study is to evaluate the technological potential of using oxide activators TiO2 and SiO2 to improve penetration efficiency and weld quality of carbon and low-alloy steels. Methods. This work involved comparative A-TIG welding tests. The tests included the use of 3.5 mm and 8 mm thick plates (300 mm × 300 mm) made of unalloyed (carbon) steel St3 and low-alloy steel 0.09 C-2Mn-Si. Welding tests included the use of single-component fluxes in the form of oxides (TiO2, SiO2). All experimental welds were performed under the same conditions, without the use of filler metal (TIG welding), with a current in the range of 10–200 A and a welding speed of 150 mm/min. Arc voltage was maintained in the range of 10.4 V to 12.8 V; heat input was in the range of 0.499 kJ/mm to 0.614 kJ/mm. All welds were subjected to visual inspection of the surface condition and macrostructural studies to determine their dimensions. Results and discussion. Most tests observed significant differences in arc shape compared to traditional TIG and A-TIG processes. Results of A-TIG welding tests on unalloyed and low-alloy steels showed that penetration depth increased slightly in steels characterized by a higher degree of deoxidation and metallurgical purity. Evidently, not every activator was responsible for the increased penetration depth, but the use of TiO2 and SiO2 oxides was undoubtedly beneficial. An arc constriction mechanism is proposed, which is widely applicable to A-TIG welding of steel with various types of fluxes studied. Arc constriction occurs due to the formation of negative ions in the outer region of the arc or due to the flux coating on the surface. Thus, arc constriction increases the current density and heat intensity at the root of the anode. This increases the force and pressure of magnetic constriction, resulting in a strong downward convection flow. The use of silicon and titanium oxides (TiO2 and SiO2) increases penetration depth during A-TIG welding, regardless of steel type and grade. The degree of penetration increase was limited to a range of 40% to 200%.

About the authors

Antonina I. Karlina

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: karlinat@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3287-3298
SPIN-code: 5237-9442
Scopus Author ID: 57189716281
ResearcherId: H-8191-2016
https://www.researchgate.net/profile/Antonina-Karlina

Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 129337, Russian Federation, Moscow, 26 Yaroslavskoe Shosse

Viktor V. Kondratiev

A.P. Vinogradov Institute of Geochemistry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Cherepovets State University

Author for correspondence.
Email: imz@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7437-2291
SPIN-code: 6927-7394
Scopus Author ID: 56509486000
ResearcherId: A-9010-2013

Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 664033, Russian Federation, Irkutsk, 1A Favorsky str.; 162600, Russian Federation, Cherepovets, 5 Lunacharsky pr.

Vitaly A. Gladkikh

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: gladkich_87@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1953-1584
SPIN-code: 7798-9358
Scopus Author ID: 56432551500
ResearcherId: F-1577-2017

Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 129337, Russian Federation, Moscow, 26 Yaroslavskoe Shosse

Galina Yu. Vitkina

Cherepovets State University

Email: 20procents@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1076-2709
SPIN-code: 2335-2189
Scopus Author ID: 55542811800
ResearcherId: D-7344-2014

Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 162600, Russian Federation, Cherepovets, 5 Lunacharsky pr.

Roman V. Kononenko

Irkutsk National Research Technical University

Email: istu_politeh@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-5900-065X
SPIN-code: 2106-3870
Scopus Author ID: 56281057500
https://www.istu.edu/person/39082

Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 664074, Russian Federation, Irkutsk, 83 Lermontova str.

References

  1. Контракция дуги флюсом при сварке вольфрамовым электродом в аргоне / Б.Е. Патон, В.Н. Замков, В.П. Прилуцкий, П.В. Порицкий // Автоматическая сварка. – 2000. – № 1. – С. 3–9.
  2. Савицкий М.М., Кушниренко Б.Н., Олейник О.Н. Особенности сварки сталей вольфрамовым электродом с активирующими флюсами // Автоматическая сварка. – 1999. – № 12. – С. 18–22.
  3. Acharya S., Patra S., Das S. Predicting A-TIG weld bead geometry of 304 stainless steel using artificial neural networks // Discover Mechanical Engineering. – 2025. – Vol. 4 (1). – P. 12. – doi: 10.1007/s44245-025-00096-5.
  4. Modenesi P.J. The chemistry of TIG weld bead formation // Welding International. – 2015. – Vol. 29 (10). – P. 771–782. – doi: 10.1080/09507116.2014.932990.
  5. Mohsein Z.H., Abdulwahhab A.B., Abbas A.M. Study effect of active flux on mechanical properties of TIG welding process // Results in Engineering. – 2025. – Vol. 26. – P. 104681. – doi: 10.1016/j.rineng.2025.104681.
  6. Görgün E. Advancing welding quality through intelligent TIG welding: A hybrid deep learning approach for defect detection and quality monitoring // Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi. – 2025. – Vol. 16 (3). – P. 677–685. – doi: 10.24012/dumf.1642978.
  7. Morisada Y., Fujii H., Xukun N. Development of simplified active flux tungsten inert gas welding for deep penetration // Materials & Design. – 2014. – Vol. 54. – P. 526–530. – doi: 10.1016/j.matdes.2013.08.081.
  8. Dhandha K.H., Badheka V.J. Effect of activating fluxes on weld bead morphology of P91 steel bead-on-plate welds by flux assisted tungsten inert gas welding process // Journal of Manufacturing Processes. – 2015. – Vol. 17. – P. 48–57. – doi: 10.1016/j.jmapro.2014.10.004.
  9. Nayee S.G., Badheka V.J. Effect of oxide-based fluxes on mechanical and metallurgical properties of dissimilar activating flux assisted-tungsten inert gas welds // Journal of Manufacturing Processes. – 2014. – Vol. 16 (1). – P. 137–143. – doi: 10.1016/j.jmapro.2013.11.001.
  10. A review on welding techniques: properties, characterisations and engineering applications / C. Shravan, N. Radhika, N.H. Deepak Kumar, B. Sivasailam // Advances in Materials and Processing Technologies. – 2023. – Vol. 10. – P. 1126–1181. – doi: 10.1080/2374068X.2023.2186638.
  11. A critical review on advanced welding technologies to fabricate test blanket modules and irradiation damage behaviour of the welded joints in nuclear fusion applications / H. Mi, J. Ma, L. Feng, W. Guo, B. He // Journal of Manufacturing Processes. – 2025. – Vol. 141. – P. 829–864. – doi: 10.1016/j.jmapro.2025.03.025.
  12. Fande A.W., Taiwade R.V., Raut L. Development of activated tungsten inert gas welding and its current status: A review // Materials and Manufacturing Processes. – 2022. – Vol. 37 (8). – P. 841–876. – doi: 10.1080/10426914.2022.2039695.
  13. Effects of activating flux on arc phenomena in gas tungsten arc welding / M. Tanaka, T. Shimizu, T. Terasaki, M. Ushio, F. Koshiishi, C.-L. Yang // Science and Technology of Welding and Joining. – 2000. – Vol. 5 (6). – P. 397–402. – doi: 10.1179/136217100101538461.
  14. Бабкин А.С., Котов Н.С., Терехов В.В. Влияние активирующих флюсов на характеристики электрической дуги и качество швов при сварке аустенитных сталей // Известия ТулГУ. Технические науки. – 2022. – № 10. – C. 507–514. – doi: 10.24412/2071-6168-2022-10-507-514.
  15. Исследования продуктов переработки отходов кремния в качестве ультрадисперсных активирующих флюсов для дуговой сварки / Н.Н. Иванчик, А.Е. Балановский, В.В. Кондратьев, А.А. Тютрин // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. – 2018. – № 11 (2). – C. 155–167. – doi: 10.17516/1999-494X-0019.
  16. Паршин С.Г. Наноструктурированные и активирующие материалы для дуговой сварки. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2020. – doi: 10.18720/SPBPU/2/si20-888.
  17. Jayakrishnan S., Chakravarthy P. Flux bounded tungsten inert gas welding for enhanced weld performance – A review // Journal of Manufacturing Processes. – 2017. – Vol. 28. – P. 116–130. – doi: 10.1016/j.jmapro.2017.05.023.
  18. Bhanu V., Gupta A., Pandey C. Role of A-TIG process in joining of martensitic and austenitic steels for ultra-supercritical power plants – a state of the art review // Nuclear Engineering and Technology. – 2022. – Vol. 54 (8). – P. 2755–2770. – doi: 10.1016/j.net.2022.03.003.
  19. Pandya D., Badgujar A., Ghetiya N. A novel perception toward welding of stainless steel by activated TIG welding: a review // Materials and Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 36 (8). – P. 877–903. – doi: 10.1080/10426914.2020.1854467.
  20. Kumar N., Pandey C., Kumar P. Dissimilar welding of Inconel alloys with austenitic stainless-steel: a review // Journal of Pressure Vessel Technology. – 2023. – Vol. 145 (1). – P. 011506. – doi: 10.1115/1.4055329.
  21. Martyushev N.V., Skeeba V.Yu. The method of quantitative automatic metallographic analysis // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 803 (1). – P. 012094. – doi: 10.1088/1742-6596/803/1/012094.
  22. Comprehensive studies on conventional and novel weld cladding techniques and their variants for enhanced structural integrity: an overview / S. Kavishwar, V. Bhaiswar, S. Kochhar, A. Fande // Welding International. – 2024. – Vol. 38 (9). – P. 618–638. – doi: 10.1080/09507116.2024.2402285.
  23. Sharma P., Dwivedi D.K. A-TIG welding of dissimilar P92 steel and 304H austenitic stainless steel: Mechanisms, microstructure and mechanical properties // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 44. – P. 166–178. – doi: 10.1016/j.jmapro.2019.06.003.
  24. Research on the possibility of lowering the manufacturing accuracy of cycloid transmission wheels with intermediate rolling elements and a free cage / E.A. Efremenkov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, M.V. Grechneva, A.V. Olisov, A.D. Ens // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 5. – doi: 10.3390/app12010005.
  25. Vidyarthy R.S., Dwivedi D.K., Vasudevan M. Influence of M-TIG and A-TIG welding process on microstructure and mechanical behavior of 409 ferritic stainless steel // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2017. – Vol. 26 (3). – P. 1391–1403. – doi: 10.1007/s11665-017-2538-5.
  26. Zhang R.H., Pan J.L., Katayama S. The mechanism of penetration increase in A-TIG welding // Frontiers of Materials Science. – 2011. – Vol. 5. – P. 109–118. – doi: 10.1007/s11706-011-0125-5.
  27. Singh S.R., Khanna P. A-TIG (activated flux tungsten inert gas) welding: – A review // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 44. – P. 808–820. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.10.712.
  28. Research advances in high-energy TIG arc welding / H. Wu, Y. Chang, Q. Mei, D. Liu // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 104 (1). – P. 391–410. – doi: 10.1007/s00170-019-03918-5.
  29. Tseng K.H., Lin P.Y. UNS S31603 stainless steel tungsten inert gas welds made with microparticle and nanoparticle oxides // Materials. – 2014. – Vol. 7 (6). – P. 4755–4772. – doi: 10.3390/ma7064755.
  30. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – doi: 10.1007/s11015-022-01271-9.
  31. Study of mechanical properties of C-Mn-Si composition metal after wire-arc additive manufacturing (WAAM) / A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, V.V. Kondratyev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2021. – Vol. 22. – P. 66–71. – doi: 10.17580/cisisr.2021.02.12.
  32. Study of wear of an alloyed layer with chromium carbide particles after plasma melting / A.I. Karlina, Y.I. Karlina, V.V. Kondratiev, R.V. Kononenko, A.D. Breki // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (12). – P. 1696. – doi: 10.3390/cryst13121696.
  33. Comparative evaluation of austenite grain in high-strength rail steel during welding, thermal processing and plasma surface hardening / A.D. Kolosov, V.E. Gozbenko, M.G. Shtayger, S.K. Kargapoltsev, A.E. Balanovskiy, A.I. Karlina, A.V. Sivtsov, S.A. Nebogin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560. – P. 012185. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012185.
  34. Strengthening of metallurgical equipment parts by plasma surfacing in nitrogen atmosphere / N.N. Malushin, R.A. Gizatulin, N.V. Martyushev, D.V. Valuev, A.I. Karlina, A.P. Kovalev // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1468–1475. – doi: 10.1007/s11015-022-01292-4.
  35. Alloying and modification of iron-carbon melts with natural and man-made materials / O.I. Nokhrina, R.A. Gizatulin, M.A. Golodova, I.E. Proshunin, D.V. Valuev, N.V. Martyushev, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1429–1448. – doi: 10.1007/s11015-022-01289-z.
  36. Change in the properties of rail steels during operation and reutilization of rails / K. Yelemessov, D. Baskanbayeva, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 1043. – doi: 10.3390/met13061043.
  37. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126 (1). – P. 012016. – doi: 10.1088/1757-899x/126/1/012016.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».